Luận văn:Nghiên cứu sử dụng nanoclay để cải thiện tính năng cao su mặt lốp công trình pdf

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM THỊ ANH PHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANOCLAY ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Mã số: 60.52.75 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐOÀN THỊ THU LOAN Phản biện 1: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI Phản biện 2: PGS.TS. PHẠM NGỌC ANH Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 07 năm 2011 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Hiện nay, loại ñộn ñược sử dụng phổ biến trong công nghiệp cao su là than ñen và silica. Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật ngày nay, ñặc biệt là sự phát triển của công nghệ nano, một hướng nghiên cứu mới ñem lại hiệu quả cao trong ngành công nghiệp sản xuất cao su, ñó là sử dụng ñộn có kích thước nano, tiêu biểu là ñộn silicate dạng lớp ñã ñược biến tính hữu cơ hay còn gọi là organoclay, khi phân tán vào cao su sẽ tách lớp hoặc xen lớp trở thành ñộn có kích thước nano. Trong sự cạnh tranh mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, việc hạ giá thành và quan trọng là nâng cao chất lượng sản phẩm ñóng vai trò quyết ñịnh sự thành công của các doanh nghiệp. Trong bối cảnh ñó, Công ty cổ phần cao su Đà Nẵng ñã không ngừng nghiên cứu ñưa các loại nguyên vật liệu mới vào sử dụng nhằm mục ñích nâng cao chất lượng sản phẩm. Chính vì vậy, tôi ñã chọn và thực hiện ñề tài: “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANOCLAY ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH”. 2. Mục ñích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng cao su mặt lốp công trình và ñánh giá khả năng ứng dụng của nanoclay trong ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, xe ñạp, xe máy,… 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Cao su thiên nhiên c ốm 1 SVR3L và cao su tổng hợp Polybutadien BR40. - Các loại phụ gia cho cao su ñược nhập trong và ngoài nước. 4 - Clay có tên thương mại là Bentone SD-1, ñã ñược biến tính hữu cơ, ñược cung cấp bởi công ty Brenntag – TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu: - Khảo sát các ñiều kiện phân tán nanoclay, hàm lượng nanoclay, quy trình luyện, các tính năng cơ lý của cao su sau lưu hóa. - Phổ hồng ngoại truyền qua Fourier FT-IR, nhiễu xạ tia X - XRD, kính hiển vi ñiện tử truyền qua - TEM, kính hiển vi ñiện tử quét – SEM. 4. Phương pháp nghiên cứu ♦ Phương pháp chế tạo mẫu: - Quá trình hỗn luyện: khảo sát thời gian và quy trình luyện. - Quá trình tạo mẫu: khảo sát thời gian lưu hóa ở nhiệt ñộ lưu hóa 160 0 C. ♦ Phương pháp phân tích và xác ñịnh các tính chất: - Khảo sát ñịnh tính mẫu bột nanoclay. - Phương pháp khảo sát sự phân tán nanoclay vào cao su. - Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến tính chất cao su mặt lốp. - Khảo sát sự phân tán bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi ñiện tử truyền qua (TEM). - Khảo sát bề mặt mẫu phá hủy sau khi kiểm tra ñộ bền xé rách bằng kính hiển vi ñiện tử quét (SEM). 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của ñề tài - Ý nghĩa khoa học: ñánh giá ñược ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng của sản phẩm cao su. - Ý ngh ĩa thực tiễn: Đánh giá khả năng ứng dụng của nanoclay trong ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, xe ñạp, xe máy. 5 6. Bố cục luận văn Ngoài phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo luận văn gồm có các chương như sau : - Chương 1: Lý thuyết tổng quan - Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm - Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT LỐP Ô TÔ 1.1.1. Lịch sử ra ñời và phát triển của lốp ô tô 1.1.2. Phân loại lốp 1.1.3. Giới thiệu về lốp công trình – OTR Tire Lốp công trình bao gồm các loại lốp chuyên dụng trên các xe công trình như: máy xúc, máy ủi, máy ñào, lốp chạy ở cảng,…Lốp chạy với tốc ñộ không cao, nhưng ñiều kiện mặt ñường sử dụng và yêu cầu về tính năng phụ tải là rất khắc nghiệt. Lốp công trình thường sử dụng kết cấu của lốp bố chéo - Bias, không săm, không khí ñược bơm trực tiếp vào trong lòng lốp. Những tính năng chủ yếu ảnh hưởng ñến tuổi thọ sử dụng của lốp công trình ñược khảo sát trên thực tế gồm: tính chịu mài mòn, tính chịu cắt xé khi chạy, tính chịu ñâm thủng, tính chịu ép nén uốn gập, tính chịu lão hóa,… [21]. 6 1.1.4. Quy trình công nghệ sản xuất lốp ô tô 1.1.5. Kết cấu và tác dụng của các thành phần lốp ôtô Lốp ô tô do 4 thành phần chính cấu thành: Mặt lốp, thân lốp, gót lốp và cao su da dầu (hình 1.2). Hình 1.2: Kết cấu mặt lốp ô tô 1.2. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐƠN PHA CHẾ CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH ♦ Cao su nguyên vật liệu: - Cao su thiên nhiên SVR3L - Cao su tổng hợp Butadien ♦ Chất lưu hóa, chất xúc tiến, chất tương hợp và phòng tự lưu: - Lưu huỳnh - Xúc tiến CZ - Vulkalent PVI - Chất tương hợp Si-69 ♦ Ch ất trợ xúc tiến: - Oxide kẽm - Acid Stearic 7 ♦ Chất ñộn: - Than N330 - Silica - Nanoclay ♦ Chất hóa dẻo: - Dầu Aromatic ♦ Chất phòng lão: - Antilux 654 - Phòng lão RD - Phòng lão 4020 1.2.1. Cao su thiên nhiên - NR 1.2.1.1. Khái niệm - Công thức phân tử của cao su thiên nhiên như sau: (C 5 H 8 ) n - Công thức cấu tạo: H 2 C C CH CH 2 CH 3 n 1.2.1.2. Sản xuất cao su thiên nhiên 1.2.1.3. Tính chất cao su thiên nhiên 1.2.2. Cao su Butadien – BR 1.2.2.1. Các loại cấu trúc Polybutadien Monomer dùng ñể sản xuất BR là butadien, cấu tạo phân tử như sau: CH 2 CH CH CH 2 1.2.2.2. Phân loại cao su Butadien 1.2.2.3. Cấu trúc cao su Butadien C ấu trúc của BR ñược biểu diễn như sau: 8 H 2 C CH CH CH 2 n 1.2.2.4. Tính năng cao su Butadien 1.2.2.5. Ứng dụng của cao su Butadien 1.2.3. Chất lưu hóa - lưu huỳnh Lưu huỳnh dùng cho lưu hóa cao su thường ở dạng α - dạng tồn tại nhiều và bền vững ở nhiệt ñộ thường, có tinh thể hình thoi, màu vàng, tỷ trọng 2.07, t nc = 112.8 0 C. Lưu huỳnh dạng α ít tan trong cao su. 1.2.3.1. Hoạt tính lưu hóa của lưu huỳnh 1.2.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh trong hợp phần cao su 1.2.4. Chất xúc tiến lưu hóa 1.2.4.1. Khuyết ñiểm của lưu huỳnh khi lưu hóa cao su 1.2.4.2. Mục ñích sử dụng xúc tiến lưu hóa 1.2.4.3. Cơ chế lưu hóa của xúc tiến 1.2.4.4. Yêu cầu ñối với xúc tiến lưu hóa 1.2.4.5. Lựa chọn xúc tiến lưu hóa 1.2.4.6. Xúc tiến lưu hóa CZ - Xúc tiến sử dụng là xúc tiến CZ thuộc nhóm Sulfenamid [23]. - Tên gọi là N-cyclohexyl-2-benzothiazol sulfonamide - Công thức cấu tạo: N S NH 9 1.2.5. Chất trợ xúc tiến ZnO và axit stearic - ZnO: là chất bột hoặc tình thể màu trắng, trọng lượng riêng 5.41 ~ 5.67 g/cm 3 , nhiệt ñộ nóng chảy 1975 0 C, gia nhiệt ñến 1800 0 C thì thăng hoa, lượng dùng thường từ 3 ~ 5 PKL [23]. - Acid Stearic: công thức cấu tạo là CH 3 (CH 2 ) 16 COOH, thường có dạng hạt hay phiến, tỷ trọng tương ñối 0.9480 (ở 20 0 C), nhiệt ñộ nóng chảy 70 ~ 71 0 C. Lượng dùng Acid Stearic thông thường từ 0.5 ~ 2 PKL [23]. 1.2.6. Chất chống lão hóa 1.2.6.1. Phòng lão vật lý Antilux Là chất bảo vệ sự thâm nhập của Oxy không khí vào trong cao su. 1.2.6.2. Chất phòng lão hóa học 4020 và RD • •• • Phòng lão 4020: - 4020 là chất phòng lão kháng Ozon cho cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp, ở thể rắn, màu xám ñen, tỷ trọng 0.986 ~ 1.00, nhiệt ñộ nóng chảy 40 ~ 45 0 C [23]. • •• • Phòng lão RD: - Phòng lão RD là chất chống lão hóa Oxy cho cao su NR, SBR và NBR. 1.2.6.3. Các yêu cầu ñối với chất phòng lão 1.2.7. Chất hóa dẻo 1.2.7.1. Yêu cầu kỹ thuật ñối với chất hóa dẻo 1.2.7.2. Dầu hóa dẻo Aromatic - Dầu hóa dẻo Aromatic ở thể lỏng nhớt màu vàng, ánh xanh ñậm, mùi dầu nhẹ. 10 1.2.8. Chất ñộn 1.2.8.1. Than ñen N330 Than N330 còn gọi là than HAF hay than cứng thuộc loại than lò chịu mài mòn cao. Than N330 có tốc ñộ lưu hóa trung bình, kích thước bình quân của hạt than nằm trong khoảng 26 ~ 30 nm [23]. 1.2.8.2. Silica - SiO 2 Silica ở dạng vô ñịnh hình, trong kết cấu hóa học của than trắng có ñến 95 ~ 99% là SiO 2 , gồm nguyên tử Silic và Oxy sắp xếp thành cấu trúc tứ diện. Kích thước hạt từ 1 – 100 nm [22]. 1.2.9. Chất tương hợp Si-69 Chất tương hợp hay tác nhân liên kết là các hợp chất Silane. 1.2.10. Chất phòng tự lưu - Vulkalent PVI - Dạng tinh thể màu vàng nhạt. Nhiệt ñộ nóng chảy 89 - 94 0 C. Điểm chớp cháy 280 0 C. 1.3. CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH BẰNG CLAY BIẾN TÍNH HỮU CƠ - ORGANOCLAY 1.3.1. Giới thiệu về clay 1.3.1.1. Cấu trúc clay Clay hay còn gọi là khoáng sét, ñược cấu tạo từ các lớp mỏng, mỗi lớp có chiều dày gần 1 nanomet, còn chiều dài từ vài trăm ñến vài nghìn nanomet. 1.3.1.2. Clay biến tính hữu cơ - Organoclay ♦ ♦♦ ♦ Các phương pháp biến tính clay: • •• • Phương pháp trao ñổi ion: • •• • S ử dụng chất liên diện: [...]... lư ng nanoclay ñ n ñ b n xé rách c a cao su 21 3.6 NH HƯ NG C A HÀM LƯ NG NANOCLAY Đ N TÍNH NĂNG CƠ LÝ C A CAO SU LƯU HÓA 3.6.1 Đ b n kéo ñ t D a vào ñ th ta th y r ng so v i m u không gia cư ng b ng nanoclay thì ñ b n kéo ñ t c a m u gia cư ng b ng nanoclay v i hàm lư ng 1PKL, 2PKL, 3PKL cao hơn và ñ t c c ñ i 1 PKL T i 1PKL, ñ b n kéo ñ t c a cao su tăng so v i cao su không gia cư ng b ng nanoclay. .. SEM c a m u cao su không gia cư ng nanoclay Hình 3.19: K t qu SEM c a m u cao su gia cư ng 2PKL nanoclay 26 K T LU N VÀ HƯ NG PHÁT TRI N 1 K T LU N - K t qu nghiên c u cho th y ñã có s chèn và tách l p clay trong h p ph n cao su khi m u cao su gia cư ng b ng nanoclay ñư c ch t o theo ñi u ki n gia công hi n t i Công ty CP Cao su Đà N ng - Đã kh o sát ñư c th i gian h n luy n phù h p v i quy trình - Khi... các v n ñ sau: - Kh o sát thêm quy trình luy n ñ xác ñ nh ñi u ki n gia công t i ưu, giúp cho nanoclay phân tán t t nh t trong h p ph n cao su - Kh o sát th i gian lưu hóa th c t , d i lưu hóa t i ưu c a cao su gia cư ng b ng nanoclay trong s n xu t - Nghiên c u kh năng ch ng th m khí c a cao su gia cư ng b ng nanoclay ñ áp d ng cho các s n ph m yêu c u tính kín khí cao như săm thiên nhiên và săm butyl... Khi s d ng nanoclay gia cư ng cho cao su 2PKL thì ñ b n xé rách c a v t li u tăng ñáng k , ñ ñàn h i tăng và ñ n i sinh nhi t do ép nén là th p nh t Đ b n xé rách cao là m t yêu c u r t quan tr ng c a cao su m t l p công trình – l p làm vi c ñi u ki n kh c nghi t Bên c nh ñó, nanoclay bi n tính b ng ODA làm gi m th i gian lưu hóa c a cao su, clay ñóng vai trò như ch t tr xúc ti n c a quá trình lưu hóa...11 1.3.2 Cao su gia cư ng b ng nanoclay Tùy theo ñ b n liên k t b m t gi a cao su và clay, có th chia cao su- clay thành ba lo i như sau [2]: - D ng k t t (thông thư ng) - D ng chèn l p (intercalated) - D ng tách l p Hình 1.11: Các d ng c u trúc c a cao su gia cư ng nanoclay 1.3.3 Các phương pháp ch t o cao su gia cư ng b ng nanoclay ♦ Trùng h p In-situ ♦ S chèn l p... Phương pháp nóng ch y tr c ti p ♦ S chèn l p c a cao su thông qua h n h p latex 1.3.4 Các y u t nh hư ng ñ n morphology c a cao su gia cư ng b ng clay trong phương pháp nóng ch y 1.3.5 Tính năng c a cao su gia cư ng b ng nanoclay 12 1.3.5.1 Kích thư c nano 1.3.5.2 Tính xúc tác 1.3.5.3 T l kích thư c (aspect ratio) 1.3.6 Ưu ñi m và nh ng thách th c c a cao su gia cư ng b ng ñ n kích thư c nano CHƯƠNG 2... Kh o sát kh năng phân tán: + Phân tích nhi u x tia X (XRD) + Phân tích hi n vi ñi n t truy n qua (TEM) Kh o sát các tính năng cơ lý c a m u: + Kh năng ch u mài mòn + Đ c ng, ñ ñàn h i + Đ b n kéo ñ t + Đ b n xé rách + Đ n i sinh nhi t Kh o sát b m t phá h y m u b ng kính hi n vi ñi n t quét (SEM) K t lu n Hình 2.1: Sơ ñ nghiên c u nh hư ng c a nanoclay ñ n tính năng cao su m t l p công trình 2.2.6... vi ñi n t truy n qua (TEM) 2.2.5 Kh o sát nh hư ng c a hàm lư ng nanoclay ñ n tính ch t c a cao su lưu hóa 2.2.5.1 Đo ñ b n xé rách 2.2.5.2 Ki m tra các tính năng cơ lý 2.2.5.3 Đo ñ c ng 15 2.2.5.4 Đo ñ ñàn h i - ñ n y cao su 2.2.5.5 Đo mài mòn DIN 2.2.5.6 Đo mài mòn AKRON 2.2.5.7 Đo ñ n i sinh nhi t do ép nén 16 Các lo i ph gia Cao su Kh o sát ñi u ki n phân tán: + Th i gian phân tán Nanocla y Luy... PH M VI NGHIÊN C U 2.1.1 Nguyên v t li u Cao su: - Cao su thiên nhiên SVR3L ñư c cung c p b i Công ty Cao su Chưprông, Gia Lai, Vi t Nam - Cao su Butadien BR40 ñư c cung c p b i T p ñoàn Heartychem, Hàn Qu c ♦ Ch t lưu hóa, ch t xúc ti n, ch t tương h p và phòng t lưu: - Ch t tương h p Si-69 - Silane JH S69 - Jingzhou Jianghan Fine Chemical - Lưu huỳnh - Sulphur Powder Miwon Chemical Korea - Xúc ti... clay trong cao su thì các peak này d ch chuy n v bên trái và di n tích peak gi m cho th y ñã x y ra s chèn và tách l p clay 18 (a) (b) (c) (d) (e) Hình 3.3: Ph XRD c a nanoclay (a) và cao su gia cư ng nanoclay v i các hàm lư ng khác nhau tương ng: (b) 5 PKL, (c) 3 PKL, (d) 2 PKL, (e) 1 PKL 3.2.2 Hi n vi ñi n t truy n qua (TEM) (a) (b) Hình 3.4: K t qu TEM c a m u nanoclay/ cao su v i hàm lư ng nanoclay . “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANOCLAY ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH”. 2. Mục ñích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng cao. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANOCLAY ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Mã số: 60.52.75 TÓM TẮT LUẬN